发展中的柔性电子技术

2019-11-06 14:51

柔性电子技术是一门新兴的科学技术。由于其独特的柔性和延展性,柔性电子技术在很多方面有着广阔的应用前景。

柔性电子(Flexible Electronics)又称为塑料电子(Plastic Electronics)、印刷电子(Printed Electronics)、 有机电子(Organic Electronics)以及聚合体电子(Polymer Electronics)等;是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/ 可延性塑料或薄金属基板上的新兴电子技术。

在人们的印象中,有机材料,如塑料等,都是很好的绝缘体,很少有人会想到塑料也能导电。近年来,由于对导电高分子的研究有了新突破,有机材料可以从传统的绝缘体变成可导电的半导体,柔性电子便应运而生。现代化学等技术的发展,促进了柔性电子这样一门学科的发展。柔性电子制造的关键包括制造工艺、基板和材料等,其核心是微纳米图案化(Micro - and Nanopatterning)制造,涉及机械、材料、物理、化学和电子等多学科交叉研究。

柔性电子以其独特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工艺,在信息、能源、医疗和国防等领域具有广泛应用前景,如柔性电子显示器、有机发光二极管OLED、印刷射频识别(RFID)、薄膜太阳能电池板、电子报纸以及电子皮肤(Skin Patches)/人工肌肉等。

柔性电子除整合电子电路、电子组件、材料、平面显示和纳米技术等领域技术外,同时横跨半导体、封测、材料、化工、印刷电路板及以显示面板等产业,可协助传统产业,如塑料、印刷、化工和金属材料等产业的转型,提升产业附加值,因此柔性电子技术的发展必将为产业结构和人类生活带来革命性的变化。

柔性电子技术是一场全新的电子技术革命,引起全世界的广泛关注并得到了迅速发展。美国《科学》杂志将有机电子技术进展列为2000年世界十大科技成果之一,与人 类基因组草图、克隆技术等重大发现并列。美国科学家艾 伦黑格、艾伦·马克迪尔米德和日本科学家白川英树由于 他们在导电聚合物领域的开创性工作而获得2000年诺贝尔化学奖。

柔性电子与传统电子制造的区别

目前电子产业基本上都是属于传统的半导体产业,制造用到的设备相当庞大,且费用高昂,制造效率低;整个柔性电子的概念是希望能够把传统半导体产品、组件及线路用印刷的方式来替代。主要从三方面来看柔性电子与传统电子电路不同之处:

(1)应用前景

一旦将很柔软的基材应用在设计方面或把线路做成无形的或可折迭的东西,那就跟传统的硬式基材有很大的不同。

(2)制造成本

柔性电子采用卷到卷印刷工艺,并且在材料的使用上也可避免像光刻技术浪费95%以上材料的问题,而采用印刷方式印制上去的面积则等同于使用的面积,其使用率在90%以上,以长期发展角度来看,印刷方式会比传统光刻技术的成本低很多;硅CMOS晶元一般造价为每平方厘米10美元,复合半导体甚至更贵,柔性电子实现的理想造价为每平方厘米0.1美元,从造价就可以看出柔性电子的巨大优势。

(3)投资角度

传统的半导体厂动不动就要数十亿甚至上百亿的投资,但柔性电子印刷的方式就像传统的印刷,只要投资数千万就可把基本的规模建立起来。要强调的是印刷所要用的油墨跟传统的印刷不一样,需要特别研制,开发初期成本由于 量少也比较高,但批量生产后成本就会变得较低廉了。

柔性电子系统的结构和材料

柔性电子技术虽然可应用于不同领域,但是其基本结构相似,至少包含以下4个部分:电子元器件、柔性基板(flexible substrate)、交联导电体(finterconnect)和黏合层。

柔性电子系统结构

1. 电子元器件

电子元器件是柔性电子产品的基本组成部分,包括电子技术中常用的薄膜晶体管、传感器(sensor)等。这些电子元器件与传统电子技术的元器件没有本质差别,部分元器件采用无机半导体材料(如硅),由于其材质较脆,在变形过程中易于发生脆断,所以它们通常不直接分布在电路板上,而是先安放在刚性的微胞元岛(cell island)上,然后承载元器件的微胞元岛再分布在柔性基板上,这样做的好处在于有利于保护电子元器件,避免其在弯曲过程中损坏。当然,有些电子元器件也可以直接分布在柔性基板上,例如,部分薄膜晶体管,由于自身特性,可以直接承受一定的应变而不影响其功能。

与传统微电子技术相比,在柔性电子技术中,有机电子元器件的使用是一个显著的特点,其中有机薄膜晶体管占据着十分重要的地位,有机材料的使用为减小元器件重量和厚度,提高其柔韧性和延展性创造了条件。

2. 柔性基板

柔性基板是柔性电子技术不同于传统电子技术的最突出的地方。它具有传统刚性基板的共同特点,首先就是绝缘性:绝缘的柔性基板保证电子设备在使用过程中不至于漏电,既确保其能正常工作,又能保证其使用的安全性。其次是较高的强度:无论在哪种电子技术下,基板所起的作用相当于骨架的作用,没有较高的强度做保障,就不能保证其正常使用。

再次就是廉价性:基板材料是电路中使用最多的材料之一,只有使用价格低廉的材料才能有效降低电子产品的成本。

除了上述基板的共同特点以外,柔性基板还有其自身独有的特性。首先是柔韧性:柔性电子系统的柔韧性主要通过基板表现出来,对柔韧性要求不同的产品可使用不同材质的基板;例如,电子皮肤通常采用柔性非常强的硅有机树脂(Si1icone),而柔性电子显示器对柔性的要求较电子皮肤弱,多采用聚对苯二甲酸乙二醇酯材料(PET)俗称聚脂。

其次是薄膜性:虽然称为基板,但其在尺寸上已不再是“板”,而是薄膜;柔性电子系统的基板通常在1毫米左右,既降低了材料的成本,又减轻了产品的重量。

鉴于上述考虑,柔性基板采用高分子聚合物是理想的选择。目前可供选择的柔性基板材料包括杜邦公司的Kapton聚酰亚胺(Polyimide,PI)薄膜材料、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等等,它们都能够很好的满足绝缘性、柔韧性以及强度要求。

3. 交联导电体

电子元器件先分布在刚性的微胞元岛上,许多个这样的微胞元岛再分布于柔性基板之上,这些微胞元岛并不独立存在,它们由交联导电体连接,从而组成一个完整的柔性电路,也就是说交联导电体在柔性电子系统中起到了电线的作用。交联导电体以金属薄膜的形式附着在柔性基板上。

4. 黏合层

柔性电子系统各种组成部分的结合需要黏合层,而黏合层对交联导电体和柔性基板的结合尤其重要。柔性电子系统的黏合层应具有以下特性:

(1)耐热性。柔性电子产品在装配和使用过程中, 不可避免的要经历高于常温的环境,一定的耐热性是必要的。

(2)结合力。由于柔性电子产品在使用过程中要不断的经受拉压弯曲变形,而经黏合层连接的两个薄层通常具有不同的力学性能,如果结合力不够大,必然导致两个薄层的相对滑动甚至剥离。

(3)弯曲能力。黏合层本身是柔性电子系统结构的一个组成部分,其自身的弯曲能力对整个结构的弯曲能力具有重要影响。目前柔性电路中常用的黏合层材料主要有丙烯酸树脂和环氧树脂。

5. 覆盖层

覆盖层(又称封装层)主要保护柔性电路不受尘埃、潮气或者化学药品的侵蚀,同时也能减小弯曲过程中电路 所承受的应变,而最近的研究表明覆盖层能够减小柔性电 路中刚性微胞元岛(fcellisland)边缘的应力强度,并且能 够抑制其与柔性基板的分离(delamination)。

根据柔性电子系统的特点,需要覆盖层能够忍受长期的挠曲,因此覆盖层材料和基板材料一样,抗疲劳性必需满足一定要求。另外,覆盖层覆盖子蚀刻后的电路之上,因而要求其具有良好的敷形性,以满足无气泡层压的要 求。用于覆盖层的常用材料为丙烯酸树脂、环氧树脂以及聚酰亚胺等。

柔性电子系统的制备工艺

与传统IC技术一样,制造工艺和装备也是柔性电子技术发展的主要驱动力。柔性电子制造技术水平指标包括 芯片特征尺寸和基板面积大小,其关键是如何在更大幅面的基板上以更低的成本制造出特征尺寸更小的柔性电子器件。

柔性电子制造过程通常包括: 材料制备→沉积→图案化→封装,可通过卷到卷(R2R)基板输送进行集成。

柔性电子制造主要关注生产成本、生产效率和可实现的特征尺寸,以及有机材料的相容性等因素。近年来,由于活性材料及其图案化技术的突破,柔性电子制造技术得到了长足的发展。

柔性电子制造的核心是薄膜晶体管(TFT)制造,其关键制造技术是制作源漏极间沟道长度的高分辨率图案化技术,直接影响输出电流、开关速度等器件性能。在有机半导体图案化过程中,特别需要消除寄生漏电和减少串音,以确保高的开关比。大多数应用要求有机薄膜晶体管(OTFT)沟道长度小于10微米。现有的图案化技术包括光刻、荫罩以及打印(微接触印制和喷印)等。

光刻等能量束技术在微电子器件图案化中得到广泛应用,分辨率高,但因其工艺过程复杂、设备昂贵、溶剂和 显影剂无法用于塑料基板,加之耗时费料,仅适用于小面积图案化,在刻蚀底层时环境要求苛刻,去除光刻胶时会破坏有机电子材料的活性和聚合物基板等,在柔性电子制造应用中受限。

荫罩技术为“干”工艺,可避免溶剂破坏有机半导体,但分辨率有限。

打印技术在同一个步骤中同时实现功能材料沉积和图案化,主要方法有:(1)将完整的电路转移并粘贴到柔性基板上,如传印(图章);(2)直接在柔性基板上制备电路, 如喷印和微接触印制(软刻蚀)。

在传统印刷方法中,首先通过标准光刻方法在硅晶片或玻璃板上制备整个结构,然后转移到柔性基板上制造出高性能器件。由于应用光刻和高温沉积技术,传印技术只能制造小面积器件,且加工成本高。

微接触印制可制造出多级图案用于掩模,可与R2R批量化制造技术集成。通常一个母版可制造100个以上的图章,每个图章又可实现3000个以上的印记,图章的成本相对较低,可以每秒数厘米的速度制作60nm高分辨率图案,但实现多层图案比较困难。微接触印制可用于非晶硅、多晶硅及TMOS等多种材料,但难以直接用于有机材料刻蚀。兰红波等人对纳米压印刻蚀模具技术的研究进展 及其发展趋势进行了详细的论述和分析。

柔性电子理想的图案化工艺应满足:低成本、大面积、批量化工艺、低温、“加”式、非接触式、可实时调整、三维结构化、易于多层套准、可打印有机物/无机材料等。喷印是一种无接触、无压力和无印版的印刷复制技术,它具有无版数码印刷的特征,在室温下将溶液直写实现数字化柔性印刷, 简化了制造过程。利用溶液化的半导体和金属材料取代传统的真空沉积材料,可有效减低成本,喷印还具有以下优势:

(1)图案质量不受光刻焦距限制,可在非平面表面甚至深沟结构上进行图案化;

(2)与有机/无机材料的良好兼容性;

(3)直接利用CAD/ CAM数据加工器件, 可实现大 面积动态对准和实时调整;

(4)作为非接触式图案化技术,可有效减少瑕疵,并可利用虚拟掩模补偿层间变形、错位等缺陷;

(5)无需物理掩模的按需打印(DOD)技术;

(6)可实现复杂三维微结构的快速设计与加工,并可通过基于软件打印控制系统进行图形的快速更改。

柔性电子的应用

伴随着柔性电子技术的发展,各种电子产品应运而生。正如微电子技术为大规模集成电路和计算机芯片技术提供技术平台一样,柔性电子技术为新产品的研发提供了崭新的的技术平台。柔性电子产品目前正处于研发起步阶段,部分产品已经投放市场。从现在的研发趋势来看,柔性电子技术在以下3个方面有着广泛的应用。

1. 柔性电子显示器

柔性电子显示器(flexible electronic display)是在柔性电子技术平台上研发出来的全新产品。与传统平板显示器不同,这种显示器能够被反复的弯曲和折叠,因而给我们的生活带来极大的便利。

例如,所有可视资料,包括各种书籍、报纸、杂志和视频文件都可以通过这种显示器来呈现,而且可以随时随地观看。尽管诸如MP4播放器和个人数字助理器(personal digital assistant,PDA)也能满足这样的使用需要,但其显示屏不能弯曲和折叠,只能在很小的屏幕范围内阅读和观看这些文字和视频,视觉效果受到极大的制约。相比而言,柔性电子显示器具有无可比拟的优势,它就像报纸一样,在需要时将其展开,使用完毕后将其卷曲甚至折叠,在保证携带方便的同时充分的兼顾了视觉效果。

值得一提的是,柔性电子显示器采用更多的轻质有机材料取代无机材料,所以其重量比传统显示器轻,这种特性有利于提高其便携性。此外,高分子有机材料的使用为降低成本提供了可能性。另外,柔性电子显示器具有厚度薄的特点,其厚度可以远远小于目前流行的液晶显示器, 所以柔性电子显示器的另一种名称就是纸状电子显示器(paper-like electronic display)。

2. 薄膜太阳能电池板

薄膜太阳能电池板(thin film solar cell)是柔性电子技术的另一项具体应用。在当今世界里,能源已成为全球高度关注的话题,而我国不仅面临能源短缺,还面临环境污染。太阳能作为一种清洁能源,可以在环境零污染的前提下有效的缓解能源短缺的矛盾。

作为最常用的利用太阳能的方式,太阳能电池板能够以最低的成本覆盖较大的面积从而有效的利用太阳能。目前,非晶硅薄膜太阳能电池板已经研发成功并进入市场销售。

基于柔性电子技术的薄膜太阳能电池板能够满足大功率的发电需要,比如可以在阳光充足的沙漠地区的太阳能发电厂里使用这种薄膜太阳能电池板。

除此以外,还可以充分利用其柔韧和轻质的特点,将其集成在衣服上。穿上这种衣服在阳光下行走或运动,随身携带的小电器(如MP3播放器和笔记本电脑)的电源就 可由衣服上的薄膜太阳能电池板供给,从而达到既节约又环保的目的。

3. 柔性电子在RFID领域的应用背景

射频识别(RFID)技术以无需人工接触即可完成信息输入和处理、操作快捷方便、发展迅速等特点,广泛运用于生产、物流、交通、医疗、食品和防伪等领域。射频识别系统通常由应答器、阅读器组成。

电子标签是应答器诸多形式中的一种,可以理解为一种薄膜型构造的应答器,具有使用方便、体积小、轻薄和可嵌入产品内等特点。未来的射频识别系统中将越来越多的使用电子标签。

电子标签的构造形式朝着轻、薄、小和软的方向发 展。在这方面,柔性电子器件有着别的材料无法比拟的优势,因此,射频识别系统电子标签未来的发展很可能会与柔性电子制造相结合,使得RFID电子标签的使用更加广泛 和方便。另外,还可以很大程度上降低成本,带来更高的效益。这也是柔性电子制造将来的发展方向之一。

制作低成本柔性电子标签具有两方面的意义。一方面,是制作柔性电子器件的有益尝试。电子电路与电子器件朝着“轻、薄、小、软”的方向发展,而柔性电子电路与电子器件的开发研制则更引人注目。

例如,现在已经能够生产的柔性电路板,是一种含有精致导线,采用薄薄的、柔顺的聚合物薄膜制造的电路,它能够适用表面安装技术并能够被弯曲为无数种所需形状。

采用SMT技术的柔性电路很薄、很轻巧,绝缘厚度小于25微米,这种柔性电路能够被任意弯曲并且可以弯曲后放入圆柱体中,以充分利用三维体积。

它打破了传统固有使用面积的思维定势,从而形成充分利用体积形状的能力,这能够在目前的采用的方法上极 大的增加有效使用密度,形成高密度组装形式。顺应了电子产品“柔性化”的发展趋势。

另一方面,能够加速射频识别技术在我国的被认识和发展的过程。射频识别系统中,应答器是技术关键所在。电子标签是RFID应答器诸多形式中的一种,而柔性化的电子标签更是适用于更多场合,电子标签成本的降低将大力推动射频识别技术的真正广泛应用。

4. 电子皮肤

柔性电子技术的另一项重要应用就是电子皮肤(electronic skin)。电子皮肤又称为皮肤状电子,其基本特征是将各种电子元器件集成在柔性基板之上从而形成皮肤状的电路板,像皮肤一样具有很高的柔韧性和弹性,可以用于许多其它电器设备。

例如,在机器人技术中可以广泛的应用电子皮肤:电子皮肤集成了各种传感器和导电体,将外界的受力或受热情况转换为电信号后传递给机器人的电脑进行信号处理, 因此电子皮肤又称敏感皮肤(sensitive skin)。

电子皮肤的两个最基本的特点可以概括为:

(1)像人的皮肤一样具有柔性和弹性以便机器人可以像真人一样行动灵活和敏捷。

(2)电子皮肤上分布传感器以便机器人能敏锐的感觉到外界环境的变化。

目前,国内外对电子皮肤的研究方兴未艾。针对机器人皮肤的重要电子元器件——传感器,国内在其原理及应用研究方面取得了一定进展。基于红外传感器的电子皮肤的设计方法,提高了机器人对未知环境的感知能力以便及时避让障碍物。

此外,解决了电子皮肤中诸多传感器的信号融合问题。由于PVDF压电薄膜具有压电能力高、柔韧、极薄和质轻,很接近人体皮肤的特性,因此国内外围绕该材料进行电子皮肤传感器的研究较为普遍。

国外对电子皮肤的相关问题研究也取得了相当的进展。日本的研究人员不仅发展了电子皮肤的相关理论,更是制造出试验性产品。针对电子皮肤的力感受问题进行研究,通过建立受力与传感器电容的关系探讨了实现力传感的可能性。

尽管电子皮肤的基本原理并不复杂,但是如何给机器人覆盖电子皮肤具有相当的挑战性,因为电子皮肤是感受机器人全身的外界环境,必须具有整体性。同时,电子皮肤作为一种外表部件,存在受外部因素而损坏的可能性。当电子皮肤的整体或部分损坏时,需要及时更换。

针对电子皮肤的这种需求,提出了电子皮肤单元模块的概念,通过连续总线(serialbus)连接各个单元模块,从而实现了电子皮肤的整体性与可扩展性的统一。但是,电线的使用不可避免的增加了电子皮肤的重量,电线的绝缘橡 胶层也在一定程度上制约了电子皮肤的柔软性。

在这种情况下,对电子皮肤的连接导体进行了深入研究,提出了金属(金)薄膜附着在预拉伸的聚对苯二甲酸乙二醇酯,俗称聚酯基板上的新技术。实验表明这种金属薄膜在大到一倍的拉伸变形下(即应变达到100%)仍可导电。

针对电子皮肤传感器的研究目前大多集中于单一外界信息的传感(如力)。但是,作为电子皮肤,对多重外界信息的传感非常重要,即能同时感受到力、温度、湿度等外界刺激。要实现该目标,至少需要在3个方面实现技术突破:

(1)材料选择:传感器传感功能的实现在一定程度上依赖于传感器材料的功能特性,如压电性、热释电性或半导性,所以对功能材料的研究和应用影响着传感器技术的发展。

(2)多重敏感信号的处理:一个完整的(机器人)电子皮肤上汇集着相当数量的感受微元,每个感受微元都具备对外界环境进行响应的功能,在某些情况下每个感受微元还要同时对多重信号(如同时感受力和热)进行响应。在信号量相当巨大的情况下,如何对信号进行处理进而确定机器人对外界刺激的对策是一项重要课题。

(3)电子皮肤力学性能的优化:作为柔性电子技术的重要应用,电子皮肤必须满足在强度保证下柔韧性的实现;在不产生破坏前提下的最轻质量优化设计也是需要考虑的重要内容。

除了机器人,在人造器官中也可以应用电子皮肤,例如治疗心脏病所用的人造心脏,当然这对电子皮肤的材料提出了更苛刻的要求。总之,电子皮肤充分发挥了柔性电子系统结构轻质、柔韧的特点,具有广泛的应用前景。

伴随着柔性电子技术的发展,各种电子产品应运而生。正如微电子技术为大规模集成电路和计算机芯片技术提供技术平台一样,柔性电子技术为新产品的研发提供了崭新的技术平台。